Os químicos geralmente sintetizam moléculas usando colisões estocásticas de formação de ligações das moléculas reagentes em solução. A natureza segue uma estratégia diferente na síntese bioquímica. A maioria das reações bioquímicas é conduzida por complexos de proteínas do tipo máquina que se ligam e posicionam as moléculas reativas para transformações seletivas. "Montadores moleculares" artificiais realizando "mecanossíntese" foram propostos como um novo paradigma em química e nanofabricação. Uma equipe de químicos da Universidade de Kiel (Alemanha) construiu o primeiro montador artificial, que realiza síntese e usa a luz como fonte de energia. O sistema combina a ligação seletiva dos reagentes, posicionamento preciso, e liberação ativa do produto. Os cientistas publicaram suas descobertas no jornal Química da Comunicação .

A ideia de montadores moleculares, que são capazes de construir moléculas, já foi proposto em 1986 por K. Eric Drexler, baseado nas ideias de Richard Feynman, Prêmio Nobel de Física. Em seu livro "Engines of Creation:The Coming Era of Nanotechnology" e publicações subsequentes, Drexler propõe máquinas moleculares capazes de posicionar moléculas reativas com precisão atômica e construir maiores, estruturas mais sofisticadas via mecanossíntese. Se tal nanobô molecular pudesse construir qualquer molécula, certamente poderia construir outra cópia de si mesmo, ou seja, poderia se auto-replicar. Essas visões imaginativas inspiraram vários autores de ficção científica, mas também iniciou uma intensa controvérsia científica.

O problema dos "dedos pegajosos"

O debate culminou em uma reportagem de capa do Chemical &Engineering News em 2003 com a pergunta-chave:"Os montadores moleculares - dispositivos capazes de posicionar átomos e moléculas para reações precisamente definidas - são possíveis?" Aqui, o vencedor do Prêmio Nobel Richard E. Smalley levantou duas objeções principais:o problema dos "dedos gordos" e dos "dedos pegajosos":para agarrar e guiar cada átomo individual, o montador deve ter muitos nanodedos. Smalley argumentou que simplesmente não há espaço suficiente na região de reação do tamanho nanométrico para acomodar todos os dedos de todos os manipuladores necessários para ter o controle completo da química. A questão do "dedo pegajoso" surge do problema de que os átomos das mãos do manipulador irão aderir ao átomo que está sendo movido. Portanto, muitas vezes será impossível liberar o bloco de construção precisamente no local certo. Smalley conclui que os problemas de gordura e dedos pegajosos são fundamentais e não podem ser evitados.

Olhando para os montadores moleculares da natureza

Contudo, na natureza, numerosos exemplos de montadores moleculares existem, como o ribossomo, peptídeo sintetases não ribossômicas, policetídeo sintases, e ATP-sintase. "Em termos de montadores moleculares, podemos afirmar, se a natureza está usando montadores moleculares para síntese, os químicos devem - pelo menos em princípio - ser capazes de construir e operar montadores artificiais no laboratório ", diz Rainer Herges, professor de Química Orgânica e porta-voz do Collaborative Research Center 677 "Function by Switching" na Universidade de Kiel.

Herges e sua equipe agora construíram o primeiro montador artificial, que usa a luz como fonte de energia. Olhando para os montadores moleculares na natureza, eles tentaram reduzir sistematicamente sua sofisticação e complexidade a um nível, alcançável com a química sintética. A síntese de ATP a partir de ADP e fosfato e as sintetases de peptídeos não ribossomais serviram como paradigmas.

O ligante photoswitchable guia através de uma reação

Eles agarram os reagentes, quatro íons vanadato, aproxime-os e concatene-os em anéis. Ao posicionar os reagentes, um ligante photoswitchable guia os reagentes através de um canal de reação específico, e é formada uma molécula que não está presente na solução inicial. A mudança fotoquímica do ligante para um estado sem ligação também desencadeia a liberação do produto - e resolve o problema do "dedo pegajoso". A equipe de pesquisa escolheu a luz ultravioleta como fonte de energia externa porque é conveniente de aplicar e nenhum subproduto de interferência é formado em contraste com as fontes de energia química.

Uma mudança de paradigma na síntese química

Máquinas moleculares semelhantes, como montadores que condensam aminoácidos em proteínas desencadeariam uma mudança de paradigma na síntese química. Vantagens óbvias são menos produtos colaterais, enantiosseletividade, e vias sintéticas mais curtas, uma vez que a mecanossíntese força as moléculas a um canal de reação predefinido. "Além disso, o produto do anel tem maior energia como material de partida. Em outras palavras, a energia da luz é convertida em energia química ", enfatiza Herges. "Embora a mecanossíntese com montadores moleculares artificiais seja extremamente desafiador, vale a pena investigar e pode fornecer uma nova maneira de conversão de energia luminosa. "